CN109822222A

CN109822222A - 一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法

Info

Publication number: CN109822222A
Application number: CN201910252854.1A
Authority: CN
Inventors: 骆芳芳; 张译丹; 李可; 蔡靖波; 李晨曼
Original assignee: Huzhou University
Current assignee: Huzhou University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明涉及飞秒激光制备技术领域，且公开了一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，包括以下步骤：S1：样品清洗：将切割好的待加工基板依次置于丙酮、酒精、去离子水中超声水浴清洗，并晾干；S2：样品金属薄膜蒸镀：将经过S1步骤处理后的待加工基板置于蒸镀炉内，蒸镀一薄层金属薄膜；S3：设计飞秒激光微透镜阵列加工方案和加工参数：用飞秒激光振荡器获得高重复频率、低脉冲能量的激光作为加工工具，结合三维电控移动平台，设置加工参数。该利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，能够解决目前制备方法都会导致相邻微透镜之间的间隙透光，从而对微透镜的光学行为结果有一定的干扰的问题。

Description

一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光制备技术领域，具体为一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法。

背景技术

微透镜阵列因其单元尺寸小、集成度高的特点，在激光微加工、生物成像探测、光纤耦合通讯等邻域有着广泛的应用。传统上较为成熟的微透镜阵列制备方法有光刻胶热熔法、热压成型法和离子交换法等。这些制备方法各有优势，但也存在着制备流程多、耗时长、成本高、有化学残留等不足之处。

为克服以上不足，目前人们正在积极探索并有可能工业化应用的方法是飞秒激光微制备方法。飞秒激光因为有着超高峰值功率而具备光作用时间短、热影响区小、可精细制备等优势，其制备手段广泛适用于玻璃，晶体，半导体材料，柔性聚合物乃至硬质合金等材料。而且，采用飞秒激光制备，微透镜阵列周期、阵列总面积灵活可控。这些是传统方法所无法比拟的。当今的飞秒激光制备技术通常采用的是两步制备法，首先用飞秒激光在固体材料表面静态辐照，获得表面改性的烧蚀微坑，并结合样品平台移动构建周期性排列的烧蚀微坑；然后通过酸腐蚀或超声波振动抛光获得较为光滑的微凹坑，实现微凹透镜阵列制备。但是，目前的激光制备方法也存在一些缺点。其一，采用的是飞秒激光放大级，属于高成本设备，并且在长时间使用后，有激光输出能量和输出脉宽不稳定的风险；其二，后续的辅助过程不仅增加了工艺的复杂性，也增加了微透镜口径大小、凹面粗糙度、曲率大小及其它因素的不可控性。因此，开发一种单步成型、低成本、增强微透镜品质的制备方法显得十分迫切。

此外，当微透镜阵列基体为透明材料(如玻璃、柔性材料等)时，前面提到的制备方法都会导致相邻微透镜之间的间隙透光，从而对微透镜的光学行为结果有一定的干扰。这也迫切需要我们改进微透镜制备方法，克服这种光学行为的干扰。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，具备良好的表面品质，无需任何后续辅助处理的优点，解决了目前制备方法都会导致相邻微透镜之间的间隙透光，从而对微透镜的光学行为结果有一定的干扰的问题。

(二)技术方案

为实现良好的表面品质，无需任何后续辅助处的目的，本发明提供如下技术方案：一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，包括以下步骤：

S1：样品清洗：将切割好的待加工基板依次置于丙酮、酒精、去离子水中超声水浴清洗，并晾干；

S2：样品金属薄膜蒸镀：将经过S1步骤处理后的待加工基板置于蒸镀炉内，蒸镀一薄层金属薄膜；

S3：设计飞秒激光微透镜阵列加工方案和加工参数：用飞秒激光振荡器获得高重复频率、低脉冲能量的激光作为加工工具，结合三维电控移动平台，设置加工参数；

S4：获取二维周期阵列微凹透镜：将待加工基板置于精密二维移动平台，调节工作距离，用平台和控制软件控制加工基本的精确移动，按预先设定参数获得二维周期阵列微凹透镜；

S5：微凹透镜阵列成型：激光加工完毕，从样品台上取下加工基板，即可获得品质良好的微凹透镜阵列，制备微凹透镜阵列一步成型，微凹透镜表面表现出良好的表面品质，无需任何后续辅助处理。

优选的，所述S1步骤中，待加工基板首先根据制备需求对其进切割，将其切割至所需规格后，再对其进行超声水浴清洗。

优选的，所述S1步骤中，在晾干过程中，首先使得干棉布对其表面的水进行擦拭，然后利用风能加快其晾干效果。

优选的，所述S1步骤中，待加工基板的材质包括玻璃、半导体材料或柔性材料中的任意一种，所述玻璃包括k9玻璃；所述半导体材料包括硅、锗；所述柔性材料包括PMMA。

优选的，所述S2步骤中，金属薄膜包括金膜、银膜、铬膜、铜膜、铝膜等任意一种，且其厚度范围：10～60nm。

优选的，所述S3步骤中，激光加工参数灵活可调，可调范围包括但不限于以下参数，波长：475～2600nm，重复频率：1～1000MHz，脉冲宽度：35～1000fs，功率：1～20000mW。

优选的，所述S3步骤中，每一个凹透镜单元用激光单次静态辐照获得，辐照时间由1～2000ms灵活可调。

优选的，所述S3步骤中，激光会聚光学元件用物镜或者凸透镜，物镜的放大倍数：5×，10×，20×，50×，100×，凸透镜的工作距离：1～100mm。

优选的，所述S3步骤中，凹透镜阵列的二维周期可调，可调范围包括但不限于以下参数，1～5000μm。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，具备以下有益效果：

1、该利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，所使用的飞秒激光是由飞秒激光振荡器发出，没有使用飞秒激光放大级，相对于现有的借助于飞秒激光放大级的激光加工来说，激光器成本要降低约50％～70％；微凹透镜制备是在飞秒激光辐照后直接成型，无需任何后续辅助处理，因而加工流程简单；制备的微凹透镜单元具备凹表面光滑的良好品质，透镜单元口径尺寸有激光功率和静态辐照时间精确调控；微凹透镜阵列二维周期由控制软件和电控精密移动平台灵活调控；激光制备过程中，无需超净、恒温等苛刻操作环境；制备的微凹透镜阵列可用于制备良好品质的柔性材料表面微凸透镜的母板；相邻微透镜间的间隙，因为有一层金属薄膜镀层，所以不透光，从而消除了杂散光对微透镜光学行为的干扰，结合金属薄膜蒸镀技术，飞秒激光静态曝光技术和平台可控移动，在柔性材料、玻璃和半导体材料表面制备表面品质良好，透镜口径大小、凹面粗糙度、曲率大小可控的微凹透镜阵列。

附图说明

图1为K9玻璃基板蒸镀一层金属铬膜后的俯视示意图；

图2为K9玻璃基板蒸镀一层金属铬膜后的侧视示意图；

图3为镀膜K9玻璃基板经飞秒激光静态辐照后得到微凹透镜阵列的俯视结构示意图；

图4为镀膜K9玻璃基板经飞秒激光静态辐照后得到微凹透镜阵列的侧视结构示意图；

图5为实施例1中飞秒激光静态辐照得到的微凹透镜单元电镜图。

图中：1净化箱、2除尘桶、3卡合板、4双波灯、5液态水、6软木塞、7进气管、8出气管、9调节筒、10凸透镜、11透气孔、12卡合槽、13弹簧、14卡合块、15卡合孔、16防尘塞、17滑块、18滑槽、19滚动槽、20滚珠、21限位块、22风机、23密封槽、24密封环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1-5，一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，包括以下步骤：将K9玻璃基板(20×20×2mm³)依次依次置于丙酮、酒精、去离子水中超声水浴清洗10分钟，并晾干；(参考图1和图2所示)清洗好的K9玻璃基板置于蒸镀炉内，蒸镀一层金属铬膜(厚度：30nm)；(参考图3和图4所示)飞秒激光静态辐照技术制备微凹透镜阵列：飞秒激光振荡级发出的激光，其参数如下，波长：790nm，重复频率：80MHz，脉冲宽度：120fs，功率：800mW。聚焦飞秒激光的物镜参数：20×，数值孔径NA＝0.45。激光静态辐照时间：250ms；结合控制软件和电控精密移动平台得到微凹透镜阵列的制备，微透镜阵列二维周期设定为：20μm，将获得的微凹透镜阵列置于电镜下观察(图5为电镜下微凹透镜单元的二维俯视图)。

实施例2

参阅图1-4，一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，包括以下步骤：将K9玻璃基板(20×20×2mm³)依次依次置于丙酮、酒精、去离子水中超声水浴清洗10分钟，并晾干；(参考图1和图2所示)清洗好的K9玻璃基板置于蒸镀炉内，蒸镀一层金属金膜(厚度：25nm)；参考图3和图4所示)飞秒激光静态辐照技术制备微凹透镜阵列：飞秒激光振荡级发出的激光，其参数如下，波长：790nm，重复频率：26MHz，脉冲宽度：120fs，功率：800mW。聚焦飞秒激光的物镜参数：50×，数值孔径NA＝0.8。激光静态辐照时间：250ms；结合控制软件和电控精密移动平台得到微凹透镜阵列的制备，微透镜阵列二维周期设定为：30μm，将获得的微凹透镜阵列置于电镜下观察。

综上，该利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，结合金属薄膜蒸镀技术，飞秒激光静态曝光技术和平台可控移动，在柔性材料、玻璃和半导体材料表面制备表面品质良好，透镜口径大小、凹面粗糙度、曲率大小可控的微凹透镜阵列。且对于透明基体来说，相邻微透镜单元之间无任何透光，可消除杂光的影响。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5：微凹透镜阵列成型：激光加工完毕，从样品台上取下加工基板，即可获得品质良好的微凹透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S1步骤中，待加工基板首先根据制备需求对其进切割，将其切割至所需规格后，再对其进行超声水浴清洗。

3.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S1步骤中，在晾干过程中，首先使得干棉布对其表面的水进行擦拭，然后利用风能加快其晾干效果。

4.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S1步骤中，待加工基板的材质包括玻璃、半导体材料或柔性材料中的任意一种，所述玻璃包括k9玻璃；所述半导体材料包括硅、锗；所述柔性材料包括PMMA。

5.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S2步骤中，金属薄膜包括金膜、银膜、铬膜、铜膜、铝膜等任意一种，且其厚度范围：10～60nm。

6.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S3步骤中，激光加工参数灵活可调，可调范围包括但不限于以下参数，波长：475～2600nm，重复频率：1～1000 MHz，脉冲宽度：35～1000fs，功率：1～20000mW。

7.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S3步骤中，每一个凹透镜单元用激光单次静态辐照获得，辐照时间由1～2000ms灵活可调。

8.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S3步骤中，激光会聚光学元件用物镜或者凸透镜，物镜的放大倍数：5×，10×，20×，50×，100×，凸透镜的工作距离：1～100mm。

9.根据权利要求1所述的一种利用低脉冲能量飞秒激光快速制备微凹透镜阵列的方法，其特征在于：所述S3步骤中，凹透镜阵列的二维周期可调，可调范围包括但不限于以下参数，1～5000μm。